JP7009915B2

JP7009915B2 - 蓄電システム

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Publication number: JP7009915B2
Application number: JP2017207926A
Authority: JP
Inventors: 拓也木口; 宜久山口; 耕司間崎; 将也 ▲高▼橋; 晋平瀧田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2022-01-26
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: WO2019082778A1; CN111264013A; JP2019080474A

Description

本発明は、蓄電システムに関する。

従来、複数の蓄電モジュールを直列及び並列に切り替え可能とした蓄電システムが知られている。

例えば特許文献１に開示された産業機械用電池システムは、高電圧下における急速充電が可能で且つ低電圧系のコンポーネントを使用可能とすることを目的とするものである。このシステムは、電池ユニットと充電入力部又は電力負荷との接続状態を択一的に切り替えるための充放電切り替え手段、及び、複数の電池ユニット間の電気的な接続を並列または直列に択一的に切り替えるための並列／直列切り替え手段等を備える。

このシステムの放電制御フローでは、複数の電池ユニットを並列に接続した状態で、複数の電池ユニットから電力負荷への放電を行う。また充電制御フローでは、複数の電池ユニットを直列に接続した状態で、急速充電器から充電入力部を介して複数の電池ユニットに充電を行う。充電完了後、複数の電池ユニット間の電圧差が閾値以上である場合、電圧差をなくすための電圧ユニット間バランス処理が行われる。

特許第５６１１４００号公報

特許文献１の電圧ユニット間バランス処理では、抵抗が設けられた経路を介して２つの電池ユニット間に電流を流すため、抵抗による損失が発生する。また、抵抗により電流が抑えられるためバランス化に時間を要する。なお、特許文献１のシステムでは、電圧ユニット間バランス処理の完了後、待機状態としており、バランス化に要する時間は問題にしていないものと推定される。

以下、本明細書では、特許文献１の電池ユニットを含む上位概念の用語として「蓄電モジュール」を用いる。特許文献１の技術を電気自動車やプラグインハイブリッド自動車の外部充電に適用する場合、直列での充電完了後、複数の蓄電モジュールを並列接続に切り替え、負荷としての主機モータに放電して走行する状況が想定される。仮に、複数の蓄電モジュール間の電位差が大きいままで例えばリレーを操作して接続を切り替えると、接点のアークや短絡電流によりリレーの寿命が低下するおそれがある。

本発明は上述の課題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、複数の蓄電モジュールの直列から並列への切り替えに際し、損失の発生や接点の寿命低下を回避しつつ、複数の蓄電モジュールの電圧を均衡化する蓄電システムを提供することにある。

本発明の蓄電システムは、複数の蓄電モジュール（ＢＴ１、ＢＴ２）と、直並列切り替え器（ＲＹ１－ＲＹ９）と、制御回路（４５）と、を備える。各蓄電モジュールは一つ以上の蓄電セルを含み、充電器（１０、２０）又は負荷（８０）のうち少なくとも一方と接続可能である。直並列切り替え器は、複数の蓄電モジュールの接続状態を直列及び並列に切り替え可能である。制御回路は、蓄電モジュールが接続された充電器もしくは負荷の少なくとも一方、及び直並列切り替え器を制御する。

制御回路は、複数の蓄電モジュールの並列切り替えに先立ち、複数の蓄電モジュール間の電位差が所定の閾値以下となるように、一つ以上の蓄電モジュールと充電器又は負荷の少なくとも一方との間で充放電を行う「電圧均衡化処理」を実施した後、直並列切り替え器を並列に切り替える。

本発明では、一つ以上の蓄電モジュールと充電器又は負荷の少なくとも一方との間で充放電を行うことにより、蓄電モジュールの電圧を均衡化する。これにより、リレー等の直並列切り替え器の接点を接続したとき突入電流を抑制することができるため、直並列切り替え器の信頼性や寿命を向上させることができる。また、抵抗を介して蓄電モジュール間に電流を流す従来技術に比べ、損失を低減することができる。

本発明の第１の態様では、制御回路は、充電器から相対的に電圧が低い蓄電モジュールへの充電により、電圧均衡化処理を実施する。本発明の第２の態様では、制御回路は、相対的に電圧が高い蓄電モジュールから負荷への放電と、充電器から相対的に電圧が低い蓄電モジュールへの充電との組み合わせにより、電圧均衡化処理を実施する。

例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電動車両に搭載される蓄電システムでは、主機バッテリが蓄電モジュールに相当する。この場合、充電器には、外部から直流電力を蓄電モジュールに充電する外部充電器、及び、外部のＡＣ電源から供給された交流電力を直流電力に変換して蓄電モジュールに充電する車載充電器等が含まれる。負荷には、車両の動力源であるモータ、及び、直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータが含まれる。また、負荷には、車室の冷暖房を行うエアコンや、補機バッテリ等へ電力供給するＤＣ／ＤＣコンバータ等が含まれる。

各実施形態を包括した蓄電システムの構成図。蓄電モジュールのバッテリ電圧監視構成を示す構成図。充電インフラと負荷駆動電圧との関係を示す図。直列から並列への切り替え時における課題を説明する図。開閉時電流に対するリレー接点寿命の特性例を示す図。第１実施形態の蓄電システムの構成図。第１実施形態によるバッテリ電圧の変化を示すタイムチャート。第１実施形態によるインバータ及びモータへの放電処理のフローチャート。第１実施形態においてモータの電力消費量が大きい場合のバッテリ電圧の変化を示すタイムチャート。第２実施形態の蓄電システムの構成図。第２実施形態によるバッテリ電圧の変化を示すタイムチャート。第２実施形態による充電処理のフローチャート。第２実施形態の変形例によるバッテリ電圧の変化を示すタイムチャート。第２実施形態の変形例による直列バッテリで走行終了後に並列切り替えする処理のフローチャート。第３実施形態の蓄電システムの構成図。第３実施形態によるエアコンへの放電処理のフローチャート。第４実施形態の蓄電システムの構成図。第４実施形態によるバッテリ電圧の変化を示すタイムチャート。第４実施形態による放電及び充電処理のフローチャート。

以下、複数の蓄電モジュールを備える蓄電システムの実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。第１～第４実施形態を包括して「本実施形態」という。ここで、各蓄電モジュールは一つ以上の蓄電セルを含む。本実施形態における蓄電モジュールは、一つ以上のバッテリセルを含むバッテリモジュールである。特に本実施形態では、電気自動車やプラグインハイブリッド車において車両の動力源となる主機バッテリモジュールを備える車載の蓄電システムを想定する。なお、他の実施形態では、蓄電モジュールとしてキャパシタ等が用いられてもよい。

複数の蓄電モジュールは、直並列切り替え器によって、接続状態が直列及び並列に切り替えられる構成となっている。直並列切り替え器は、典型的に、機械式リレー又は半導体スイッチにより構成されるリレーである。さらに本実施形態の蓄電システムは、複数の蓄電モジュールが負荷又は充電器の少なくとも一方と接続可能である。また、本実施形態の蓄電システムは、蓄電モジュールが接続された充電器もしくは負荷の少なくとも一方、及び直並列切り替え器を制御する制御回路を備える。

最初に図１を参照し、各実施形態を包括した蓄電システム４００の構成を説明する。蓄電システム４００は、「複数の蓄電モジュール」としての二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２、「直並列切り替え器」としてのリレーＲＹ１－ＲＹ９、及び、制御回路４５を備える。ここで、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２、及びリレーＲＹ２を含むモジュール部は、全ての実施形態に共通する部分である。モジュール部は、負荷８０又は充電器１０、２０の少なくとも一方に接続可能である。以下の各実施形態は、モジュール部が負荷８０のみに接続可能な構成、充電器１０、２０のみに接続可能な構成、又は、負荷８０と充電器１０、２０との両方に接続可能な構成である点が異なる。

バッテリＢＴ１、ＢＴ２は、リチウムイオン電池等の充放電可能な、例えば４００Ｖの高圧バッテリモジュールである。以下、「バッテリモジュール」を省略して「バッテリ」という。本明細書では、低圧（例えば１２Ｖ）の補機バッテリについて言及する箇所を除き、基本的に「バッテリ」は高圧バッテリの意味で用いる。

電気自動車やプラグインハイブリッド車で一般に用いられる負荷８０としては、まず、動力源である主機モータと、直流電力を交流電力に変換して主機モータに供給するインバータとのセットが挙げられる。本明細書では主機モータ以外のモータに言及せず、「モータ」とは車両の主機モータを意味するものとする。その他、車両で用いられる負荷８０には、車室の冷暖房を行うエアコンや、バッテリＢＴ１、ＢＴ２の直流電圧を昇降圧して補機バッテリ等へ電力供給するＤＣ／ＤＣコンバータ等がある。適用される負荷８０に応じて、制御回路４５には、走行要求、アクセル情報、冷暖房要求、エアコン設定温度、車室温度等の情報が入力される。

充電器には、外部充電器１０及び車載充電器２０が含まれる。充電スタンド等に設置される外部充電器１０は、給電ケーブルを介して車両と接続され、直流電力をバッテリＢＴ１、ＢＴ２に充電する。８００Ｖ対応の外部充電器を用いる場合、バッテリＢＴ１、ＢＴ２を二直列に接続した状態で直列充電が行われる。一方、４００Ｖ対応の外部充電器を用いる場合、バッテリＢＴ１、ＢＴ２を二並列に接続した状態で並列充電が行われる。車載充電器２０は、車両内に搭載され、外部のＡＣ電源１５から供給された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢＴ１、ＢＴ２に充電する。

リレーＲＹ２は、バッテリＢＴ１の正極と、バッテリＢＴ２の負極との間の経路を開閉する。リレーＲＹ４及びＲＹ１は、それぞれバッテリＢＴ１、ＢＴ２の正極と負荷８０との間の経路を開閉する。リレーＲＹ５及びＲＹ３は、それぞれバッテリＢＴ１、ＢＴ２の負極と負荷８０との間の経路を開閉する。リレーＲＹ６及びＲＹ８は、それぞれバッテリＢＴ１、ＢＴ２の正極と充電器１０、２０との間の経路を開閉する。リレーＲＹ７及びＲＹ９は、それぞれバッテリＢＴ１、ＢＴ２の負極と充電器１０、２０との間の経路を開閉する。

制御回路４５は、リレーＲＹ１－ＲＹ９の開閉を制御する。以下のリレー開閉パターンの説明で、ＲＹ１－ＲＹ９のうちの「あるリレーがオン」という場合、「それ以外のリレーはオフ」であるものとする。二直列でのバッテリＢＴ１、ＢＴ２から負荷８０への放電時にはリレーＲＹ２、ＲＹ１、ＲＹ５がオンされる。二直列での充電器１０、２０からバッテリＢＴ１、ＢＴ２への充電時にはリレーＲＹ２、ＲＹ８、ＲＹ７がオンされる。二並列でのバッテリＢＴ１、ＢＴ２から負荷８０への放電時にはリレーＲＹ１、ＲＹ３、ＲＹ４、ＲＹ５がオンされる。二並列での充電器１０、２０からバッテリＢＴ１、ＢＴ２への充電時にはリレーＲＹ６、ＲＹ７、ＲＹ８、ＲＹ９がオンされる。

次に図２を参照し、各実施形態に共通する制御回路４５の情報入力に関する構成について補足する。制御回路４５は、バッテリ電圧監視部４３から、バッテリＢＴ１のバッテリ電圧Ｖｂ１と、バッテリＢＴ２のバッテリ電圧Ｖｂ２とのバッテリ電圧偏差（以下「電位差」ともいう）ΔＶｂ（＝｜Ｖｂ１－Ｖｂ２｜）の情報を取得する。バッテリ電圧監視部４３は「モジュール電圧監視部」に相当する。制御回路４５は、バッテリ電圧監視部４３が検出した電圧検出値に基づいて、すなわち現在の電圧偏差がフィードバックされることにより、バッテリＢＴ１、ＢＴ２と負荷８０又は充電器１０、２０との間の充放電を制御する。

バッテリ電圧監視部４３は、電圧センサ７１、７２により、バッテリＢＴ１、ＢＴ２の端子間電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２を検出し、その差の絶対値であるΔＶｂを算出してもよい。或いはバッテリ電圧監視部４３は、電圧センサ７３により、リレーＲＹ８及びＲＹ６（又はリレーＲＹ１及びＲＹ４）の両端の電圧を電位差ΔＶｂとして検出してもよい。

また、バッテリ電圧監視部４３は、バッテリＢＴ１、ＢＴ２の電圧が正常範囲外である場合に異常を検出し、制御回路４５に伝える。その他、バッテリＢＴ１、ＢＴ２の温度Ｔｂ１、Ｔｂ２に基づき温度異常を検出し、制御回路４５に伝えるバッテリ温度監視部４４が設けられてもよい。制御回路４５は、異常が検出されたバッテリと負荷８０又は充電器１０、２０との接続を遮断する。すなわち、バッテリ電圧監視部４３及びバッテリ温度監視部４４は、「異常検出部」として機能する。

続いて、各実施形態の具体的構成や作用効果の説明に移る前に、本実施形態の背景及び課題について図３～図５を参照して説明する。図３に、蓄電モジュール用の充電インフラと負荷駆動電圧との関係を示す。ここで、蓄電モジュールの電圧が標準的に４００Ｖ級であると仮定する。また、充電スタンド等の充電インフラには４００Ｖ級対応及び８００Ｖ級対応の２種類が存在し、使用される負荷も４００Ｖ級で駆動されるものと８００Ｖ級で駆動されるものの２種類が存在すると仮定する。４００Ｖ級で負荷を駆動する蓄電モジュールに４００Ｖ級の充電インフラで充電する場合や、８００Ｖ級で負荷を駆動する蓄電モジュールに８００Ｖ級の充電インフラで充電する場合、何ら問題は無い。

一方、負荷駆動電圧とは異なる電圧の充電インフラで蓄電モジュールを充電する場合を考える。すると、４００Ｖ級の負荷を駆動する蓄電モジュールを充電時に二つ直列接続すれば、８００Ｖ級の充電インフラで充電可能である。そして、負荷駆動時すなわち放電時には並列接続に切り替えて４００Ｖ級で使用することができる。逆に、並列接続状態で４００Ｖ級の充電インフラで充電した蓄電モジュールを、負荷駆動時に二直列接続に切り替えれば、８００Ｖ級で使用することができる。このように複数の蓄電モジュールの接続状態を直列及び並列に切り替え可能とすることで、多くの充電インフラに対応可能となる。

具体的には、電動自動車やプラグインハイブリッド車の主機モータや補機等の車両機器及び充電インフラは、充電時間短縮等のため、現状の４００Ｖ級から将来は８００Ｖ級に移行すると予想される。すると、特に移行の過渡期には車両仕様と充電インフラの仕様とがマッチングしない状況が生じ得る。そこで、充電時と負荷駆動時、つまり主機モータの駆動の場合には走行時とで、バッテリモジュールの直並列を切り替え可能とすることが求められる。そのためには必然的に、機械式リレーや半導体スイッチで構成されるリレー等の直並列切り替え器が回路に設けられる。

図４を参照し、内部抵抗等のばらつきに起因して、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２間に電位差が生じている状況を想定する。二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２を直列接続したときの電圧を１００％としたとき、例えばバッテリＢＴ１の電圧が５２％、バッテリＢＴ２の電圧が４８％であると仮定する。なお、太線の矢印は細線の矢印よりも電圧が高いことを意味する。そして、外部充電器時での直流充電後にリレーをオンし並列接続に切り替えたとき、バッテリＢＴ１、ＢＴ２間の電位差による短絡電流が流れ、リレー接点にアークが発生する。

図５に、リレーの開閉時電流と開閉耐久回数、言い換えればリレー接点寿命との関係を示す。横軸及び縦軸は対数スケールである。図５からわかるように、開閉時電流が大きいほど開閉耐久回数が少なくなる。したがって、機器の設計寿命を考慮すると、予め定めた耐久回数とリレーの特性とに基づき、開閉時電流をある安全値以下に抑える必要がある。そのためには、並列接続する前にバッテリＢＴ１、ＢＴ２の電圧を均衡化し電位差を解消してから並列化することが必要となる。

ここで、特許文献１（特許第５６１１４００号公報）に開示された従来技術では、抵抗が設けられた経路を介して二つの電池ユニット間に電流を流すため、抵抗による損失が発生する。また、抵抗により電流が抑えられるためバランス化に時間を要するという問題がある。また、特開２００５－１５１６７９号公報に開示された組電池の調整方法も、抵抗を介してモジュール間に電流を流すものであり、特許文献１の技術と同様の問題がある。そこで、本実施形態は、損失の発生や接点の寿命低下を回避しつつ、蓄電モジュール間の電位差を短時間で均衡化することを目的とする。

この目的を達成するため本実施形態では、並列接続する複数のバッテリ、例えば図１の例ではバッテリＢＴ１及びバッテリＢＴ２を負荷８０又は充電器１０、２０に接続可能とする。そして、直列から並列への切り替えに先立ち、一つ以上のバッテリと、負荷８０又は充電器１０、２０の少なくとも一方との間で充放電を行い、バッテリＢＴ１、ＢＴ２間の電位差が所定の閾値以下となるようにする。そして、電位差が閾値以下となっている状態で、並列接続用のリレーをオンする。以下、本実施形態によるこの処理を「電圧均衡化処理」という。

本実施形態では、電圧均衡化処理により、過大な突入電流を生じることなく並列接続用リレーの接点をオンすることができ、ひいてはリレーの信頼性や寿命を向上させることができる。また、従来技術のように抵抗を介して電流を流す構成ではないため、損失を低減し、且つ、複数のバッテリ間の電圧を短時間で均衡化することができる。ここで、電圧均衡化処理では、バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２が厳密に等しくなるまで充放電させる必要はなく、あくまで並列化リレーを閉じる際の突入電流が軽減されればよい。これは、リレー信頼性に与える影響は、リレーの連続通電時の許容電流よりも開閉時電流の方が支配的なためである。

（第１実施形態）
続いて実施形態毎に、電圧均衡化処理の具体的な構成及び作用効果について説明する。第１実施形態について図６～図９を参照して説明する。図６に示すように、第１実施形態の蓄電システム４０１は、図１の蓄電システム４００において、モジュール部が負荷８０としてのインバータ８１及びモータ８２に接続可能な構成である。つまり、少なくとも並列化処理の段階では、モジュール部は充電器１０、２０に接続されなくてもよい。制御回路４５は、例えば車両制御回路から走行要求の有無、アクセル情報等を取得する。

第１実施形態では、バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２に不均衡が生じているとき、並列切り替えに先立ち、相対的に電圧が高いバッテリからインバータ８１へ放電し、モータ８２を駆動して車両が走行することで、電圧均衡化処理を実施する。

図７において、処理開始時ｔ０には第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より高い。そこで制御回路４５は、第１バッテリＢＴ１からインバータ８１に放電させ、モータ８２を駆動して車両の走行を開始する。このとき、一つのバッテリＢＴ１から放電するため、第１バッテリ電圧Ｖｂ１の低下勾配は比較的大きい。そして、電位差が閾値ΔＶｔｈ以下となる均衡時ｔ_BLに、制御回路４５は並列化リレーをオンする。その後、二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２からインバータ８１に放電し、モータ８２を駆動して車両の走行を継続する。二つのバッテリＢＴ１、ＢＴ２から約半分ずつ放電するため、各バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２の低下勾配は小さくなる。並列接続と同時にバッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２は、それらの中間の値に収束し、以後同一の値で推移する。以下のタイムチャートについても同様である。

第１実施形態による並列化処理を図８のフローチャートに示す。以下のフローチャートの説明で記号「Ｓ」はステップを示す。前述の各実施形態と実質的に同一のステップには同一のステップ番号を付して適宜説明を省略する。

２桁ステップ番号の１桁目の「１」、「６」は、各実施形態の並列化処理に共通のステップ群を意味し、１桁目の「７」、「８」、「９」は、各実施形態の並列化処理に特有のステップ群を意味する。具体的には、「７」は負荷への放電、「８」は充電器からの充電、「９」は負荷への放電と充電器からの充電との組み合わせを意味する。そのため、例えば１桁目が「７」のステップの後に１桁目が「６」のステップが続く場合がある。また、１桁目が「７」のステップのうち、負荷としてインバータ８１及びモータ８２を用いる第１実施形態特有のステップには末尾に「Ａ」を付す。

最初に制御回路４５は、Ｓ１１で、バッテリ電圧監視部４３からの電圧情報やバッテリ温度監視部４４からの温度情報等に基づき、バッテリＢＴ１、ＢＴ２が異常であるか判断する。異常の場合、制御回路４５は、Ｓ７１で異常なバッテリと負荷８０とを切り離し、処理を終了する。バッテリＢＴ１、ＢＴ２が異常でない場合、制御回路４５は、Ｓ７２Ａで走行要求があるか、すなわち、インバータ８１及びモータ８２の駆動要求があるか判定する。Ｓ７２ＡでＹＥＳの場合、Ｓ６２に移行する。つまり、第１実施形態の電圧均衡化処理は、車両の走行要求があることを前提として実行される。

Ｓ６２では、バッテリＢＴ１、ＢＴ２間の電位差が閾値以下であるか否か判断される。電位差が閾値以下であり、Ｓ６２でＹＥＳと判定された場合、Ｓ６３に移行し、制御回路４５は並列化リレーＲＹ１、ＲＹ３、ＲＹ４、ＲＹ５をオンする。電位差が閾値を超えており、Ｓ６２でＮＯと判定された場合、Ｓ６４で第１バッテリ電圧Ｖｂ１と第２バッテリ電圧Ｖｂ２とのいずれが高いか判断される。

第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より高くＳ６４でＹＥＳと判定されると、制御回路４５は、Ｓ７３でリレーＲＹ４、ＲＹ５をオンし、第１バッテリＢＴ１を負荷８０に接続する。第２バッテリ電圧Ｖｂ２が第１バッテリ電圧Ｖｂ１より高くＳ６４でＮＯと判定されると、制御回路４５は、Ｓ７４でリレーＲＹ１、ＲＹ３をオンし、第２バッテリＢＴ２を負荷８０に接続する。Ｓ７５Ａでは、負荷８０に接続された一方のバッテリで車両が走行する。この走行状態は、Ｓ６５で電位差が閾値以下であると判定されるまで継続される。以上のＳ６４からＳ６５までのステップが電圧均衡化処理に相当する。

Ｓ６５で電位差が閾値以下であると判定されるとＳ６６に移行し、制御回路４５は、並列化リレーのうちＳ７３又はＳ７４で接続されなかったバッテリ側のリレーをオンする。Ｓ６３又はＳ６６で並列化リレーがオンされ、並列化処理が完了する。Ｓ７８Ａで、車両は、二並列接続されたバッテリＢＴ１、ＢＴ２で走行する。

このように第１実施形態では、処理開始時にバッテリＢＴ１、ＢＴ２の電位差が閾値を超えているとき、車両走行しながら電圧均衡化処理が実施される。したがって、停車したまま処理の終了を待つ必要がないため、運転者の利便性が向上する。

さらに図９に示すように、車両の加速時や登板時において、アクセル情報等から推定されるモータ８２の電力消費量が通常走行時に比べて大きいほど、制御回路４５は、第１バッテリＢＴ１からの放電量を増加させる。これにより電圧低下勾配が大きくなり、放電量が通常の場合の均衡時ｔ_{BL_n}よりも早く均衡時ｔ_{BL_q}に到達する。つまり、制御回路４５は、放電量を増加させることにより、電圧均衡化処理の時間を短縮することができる。その結果、高速での切り替えが必要となるため、リレーＲＹ１、ＲＹ３、ＲＹ４、ＲＹ５として半導体スイッチが用いられることが好ましい。

（第２実施形態）
第２実施形態について図１０～図１２を参照して説明する。図１０に示すように、第２実施形態の蓄電システム４０２は、図１の蓄電システム４００において、モジュール部が外部充電器１０又は車載充電器２０に接続可能な構成である。つまり、少なくとも並列化処理の段階では、モジュール部は負荷８０に接続されなくてもよい。

第２実施形態では、直列充電終了後にバッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２に不均衡が生じているとき、並列切り替えに先立ち、充電器１０、２０から相対的に電圧が低いバッテリへの充電により、電圧均衡化処理を実施する。

図１１において、直列充電終了後の処理開始時ｔ０には第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より高い。そこで、制御回路４５は、充電器１０、２０を動作させて第２バッテリＢＴ２を充電し、第２バッテリ電圧Ｖｂ２を上昇させる。そして、電位差が閾値ΔＶｔｈ以下となる均衡時ｔ_BLに、制御回路４５は並列化リレーをオンする。電圧が均衡化したら充電器１０、２０の動作を停止するため、バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２は一定となる。

実際には、外部充電器１０を用いて直列充電を行った後の状況を想定すると、そのまま外部充電器１０を用いて電圧均衡化処理の充電を行う可能性が高いと考えられる。しかし、充電スタンドに外部充電器１０とＡＣ電源１５とが併設されている場合、ＡＣ電源１５を車載充電器２０に接続し直し、車載充電器２０を用いて電圧均衡化処理の充電を行うことも可能である。したがって、外部充電器１０又は車載充電器２０のいずれを用いて電圧均衡化処理を行ってもよいものとし、「充電器１０、２０」と記載する。

第２実施形態による並列化処理を図１２のフローチャートに示す。最初に制御回路４５は、バッテリＢＴ１、ＢＴ２が異常であるか判断し、異常の場合、Ｓ８１で異常なバッテリと充電器１０、２０とを切り離して処理を終了する。バッテリＢＴ１、ＢＴ２が異常でない場合、制御回路４５は、Ｓ６１で、直列充電が終了しているか否か判定する。直列充電が終了している場合、制御回路４５は、さらにＳ７２Ａで走行要求があるか判定する。Ｓ７２ＡでＮＯの場合、Ｓ６２に移行する。つまり、第２実施形態の電圧均衡化処理は、直列充電が終了しており、且つ、車両の走行要求がないことを前提として実行される。

Ｓ６２、Ｓ６３、Ｓ６４は、第１実施形態と同様である。第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より高くＳ６４でＹＥＳと判定されると、制御回路４５は、Ｓ８３でリレーＲＹ８、ＲＹ９をオンし、第２バッテリＢＴ２を充電器１０、２０に接続する。第２バッテリ電圧Ｖｂ２が第１バッテリ電圧Ｖｂ１より高くＳ６４でＮＯと判定されると、制御回路４５は、Ｓ８４でリレーＲＹ６、ＲＹ７をオンし、第１バッテリＢＴ１を充電器１０、２０に接続する。Ｓ８５では、充電器１０、２０に接続された一方のバッテリに対し充電器動作が開始される。この充電器動作は、Ｓ６５で電位差が閾値以下であると判定されるまで継続される。以上のＳ６４からＳ６５までのステップが電圧均衡化処理に相当する。

Ｓ６５で電位差が閾値以下であると判定されるとＳ６６に移行し、制御回路４５は、並列化リレーのうちＳ８３又はＳ８４で接続されなかったバッテリ側のリレーをオンする。これにより並列化処理が完了し、並列充電が可能となる。ただし図１２では、それ以上の充電が必要ないものとし、制御回路４５は、Ｓ８７で充電器動作を停止する。

（第２実施形態の変形例）
第２実施形態の変形例について図１３、図１４を参照して説明する。この変形例は、蓄電システム４０２の構成については図１０と同様であり、バッテリＢＴ１、ＢＴ２が並列で充電され、直列で使用される形態である。そして、直列接続のバッテリＢＴ１、ＢＴ２で走行終了後に並列接続に切り替え、並列充電を行う場面を想定する。

図１３において、直列接続での走行終了後の処理開始時ｔ０には第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より高い。そこで第２バッテリＢＴ２を充電し、電位差が閾値ΔＶｔｈ以下となる均衡時ｔ_BLに並列化リレーをオンする。ここまでは図１１と同じである。その後、図１１ではバッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２が一定となるのに対し、図１３では並列充電により、バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２が共に増加する。

図１４のフローチャートは、図１２に対し、Ｓ６２より前の部分とＳ６６の後の部分とが異なり、中間部分は同じである。また、この段階でのバッテリ異常判断のＳ１１、及び異常時処置Ｓ８１は考慮しない。制御回路４５は、Ｓ８２で、直列バッテリでの走行が終了したか判断し、ＹＥＳと判定されるとＳ６２に移行する。Ｓ６３又はＳ６６で並列化リレーがオンされ、並列化処理が完了すると、Ｓ８８で並列充電が行われる。これにより、直列接続での走行によって電力を消費したバッテリＢＴ１、ＢＴ２にバランス良く充電することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態について図１５、図１６を参照して説明する。図１５に示すように、第３実施形態の蓄電システム４０３は、図１の蓄電システム４００において、モジュール部が負荷８０としての冷暖房用のエアコン８３に接続可能な構成である。つまり、少なくとも並列化処理の段階では、モジュール部は充電器１０、２０に接続されなくてもよい。制御回路４５は、例えばエアコン制御回路から冷暖房要求の有無、エアコン設定温度、現在の車室温度等の情報を取得する。

第３実施形態では、バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２に不均衡が生じているとき、並列切り替えに先立ち、相対的に電圧が高いバッテリからエアコン８３へ放電することで、電圧均衡化処理を実施する。通常温調時におけるバッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２の推移を示すタイムチャートは、第１実施形態の図７と同様である。また、エアコン設定温度と車室温度との差が大きく、通常温調時に比べエアコン８３の電力消費量が大きいとき、制御回路４５は、電力消費量が大きいほど放電量を増加させることで、電圧均衡化処理の時間を短縮することができる。

第３実施形態による並列化処理を図１６のフローチャートに示す。１桁目が「７」のステップのうち、負荷としてエアコン８３を用いる第３実施形態特有のステップには末尾に「Ｂ」を付す。図１６のフローチャートは、第１実施形態の図８のフローチャートにおけるＳ７２Ａ、Ｓ７５Ａ、Ｓ７８ＡをそれぞれＳ７２Ｂ、Ｓ７５Ｂ、Ｓ７８Ｂに置き換え、さらにＳ７７Ｂを追加したものである。それ以外のステップは図８と同一であるため、説明を省略する。

Ｓ１１でバッテリＢＴ１、ＢＴ２が異常でない場合、制御回路４５は、Ｓ７２Ｂで冷暖房要求があるか、すなわち、エアコン８３の駆動要求があるか判定する。Ｓ７２ＢでＹＥＳの場合、Ｓ６２に移行する。つまり、第１実施形態の電圧均衡化処理は、冷暖房要求があることを前提として実行される。

Ｓ７５Ｂでは、負荷８０に接続された一方のバッテリでエアコン８３が始動する。この運転状態は、Ｓ６５で電位差が閾値以下であると判定されるまで継続される。Ｓ６３又はＳ６６で並列化リレーがオンされると、並列化処理が完了する。Ｓ６３から移行するＳ７７Ｂでは、エアコン８３は二並列接続されたバッテリＢＴ１、ＢＴ２で始動する。Ｓ６６から移行するＳ７８Ｂでは、エアコン８３は二並列接続されたバッテリＢＴ１、ＢＴ２で運転を継続する。

このように第３実施形態では、処理開始時にバッテリＢＴ１、ＢＴ２の電位差が閾値を超えているとき、停車中に車室の冷暖房を行いながら電圧均衡化処理を実施可能である。したがって、特に、冷暖房のニーズが高い夏や冬に乗員の快適性が確保される。その他、放電対象の負荷８０として、低圧電力を補機バッテリに供給するＤＣ／ＤＣコンバータを用いる形態では、停車中に各種補機を使用しながら電圧均衡化処理を実施可能である。

（第４実施形態）
第４実施形態について図１７～図１９を参照して説明する。図１７に示すように、第４実施形態の蓄電システム４０４は、図１の蓄電システム４００において、モジュール部が外部充電器１０に接続可能であり、且つ、モジュール部が負荷８０としてのエアコン８３に接続可能な構成である。

第４実施形態では、直列充電終了後にバッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２に不均衡が生じているとき、並列切り替えに先立ち、相対的に電圧が高いバッテリからエアコン８３への放電と、外部充電器１０から相対的に電圧が低いバッテリへの充電との組み合わせにより、電圧均衡化処理を実施する。例えば充電スタンドに停車し、外部充電器１０を用いて直列充電を行った後、走行開始前に車室を冷暖房する状況が想定される。なお、図示を省略するが、第２実施形態で説明したように、外部充電器１０を用いて直列充電を行った後、ＡＣ電源１５を車載充電器２０に接続し直し、車載充電器２０を用いて充電してもよい。

図１８において、直列充電終了後の処理開始時ｔ０には第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より高い。そこで制御回路４５は、第１バッテリＢＴ１からエアコン８３へ放電させ、第１バッテリ電圧Ｖｂ１を低下させる。同時に制御回路４５は、外部充電器１０を動作させて第２バッテリＢＴ２を充電し、第２バッテリ電圧Ｖｂ２を上昇させる。そして、電位差が閾値ΔＶｔｈ以下となる均衡時ｔ_BLに、制御回路４５は並列化リレーをオンする。

なお、第３実施形態と同様に、エアコン設定温度と車室温度との差が大きく、通常温調時に比べエアコン８３の電力消費量が大きいとき、制御回路４５は、電力消費量が大きいほど放電量を増加させることで、電圧均衡化処理の時間を短縮することができる。

ここで、電圧均衡化後もエアコン８３が継続して使用される場合、充電を停止すると、バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２が次第に低下する。そこで、エアコン８３の消費電力に合わせて外部充電器１０による充電を補充することで、均衡時ｔ_BLのバッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２を走行開始まで維持することができる。

第４実施形態による並列化処理を図１９のフローチャートに示す。第４実施形態の並列化処理は、ほぼ、第２実施形態による充電処理と、第３実施形態によるエアコン８３への放電処理とを組み合わせたものである。図１９では、バッテリ異常判断のＳ１１、及び異常時処置Ｓ７１、Ｓ８１の記載を省略する。また、外部充電中であるため走行要求はないこと、及び、冷暖房要求があることを前提とする。Ｓ６１で、制御回路４５は、直列充電が終了しているか否か判定する。直列充電が終了している場合、Ｓ６２に移行する。直列充電終了後には、バッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２に不均衡が生じている可能性がある。

Ｓ６２、Ｓ６３、Ｓ６４は、上記実施形態と同様である。第１バッテリ電圧Ｖｂ１が第２バッテリ電圧Ｖｂ２より高くＳ６４でＹＥＳと判定されると、制御回路４５は、Ｓ９３でリレーＲＹ４、ＲＹ５、ＲＹ８、ＲＹ９をオンし、第１バッテリＢＴ１を負荷８０に接続するとともに、第２バッテリＢＴ２を外部充電器１０に接続する。第２バッテリ電圧Ｖｂ２が第１バッテリ電圧Ｖｂ１より高くＳ６４でＮＯと判定されると、制御回路４５は、Ｓ９４でリレーＲＹ１、ＲＹ３、ＲＹ６、ＲＹ７をオンし、第２バッテリＢＴ２を負荷８０に接続するとともに、第１バッテリＢＴ１を外部充電器１０に接続する。

Ｓ９５では、負荷８０に接続された一方のバッテリでエアコン８３が始動する。また、充電器１０に接続された他方のバッテリに対し、外部充電器１０の動作が開始される。この状態は、Ｓ６５で電位差が閾値以下であると判定されるまで継続される。以上のＳ６４からＳ６５までのステップが電圧均衡化処理に相当する。

Ｓ６５で電位差が閾値以下であると判定されるとＳ６６に移行し、制御回路４５は、並列化リレーのうちＳ９３又はＳ９４で接続されなかったバッテリ側のリレーをオンする。Ｓ６３又はＳ６６で並列化リレーがオンされ、並列化処理が完了する。Ｓ６３から移行するＳ９７では、エアコン８３は二並列接続されたバッテリＢＴ１、ＢＴ２で始動するとともに、エアコン８３による消費分の電力を補充するため、外部充電器１０による並列充電が開始される。Ｓ６６から移行するＳ９８では、エアコン８３は二並列接続されたバッテリＢＴ１、ＢＴ２で運転を継続するとともに、エアコン８３による消費分の電力を補充するため、外部充電器１０による並列充電が継続される。

このように第４実施形態では、直列での外部充電終了時にバッテリＢＴ１、ＢＴ２の電位差が閾値を超えているとき、停車中に車室の冷暖房を行いながら電圧均衡化処理を実施可能である。このとき、充電と放電とを組み合わせることで、電圧均衡化処理の時間を短縮することができる。また、均衡時ｔ_BL以後もエアコン８３による消費分の電力を補充するように充電が継続されるため、乗員の快適性を維持しつつ、走行時のバッテリ電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２を適切に確保することができる。

（その他の実施形態）
制御回路４５は、バッテリ電圧監視部４３により検出される電圧検出値に基づいてバッテリＢＴ１、ＢＴ２と充電器１０、２０又は負荷８０との間の充放電を制御する構成に限らず、例えば初期電圧と充放電時間とから充放電をフィードフォワード制御してもよい。また、バッテリ電圧の検出値を用いるのでなく、他のパラメータから推定される電圧推定値に基づいて充放電を制御してもよい。

図３では、充電インフラ及び負荷駆動電圧を４００Ｖ級、８００Ｖ級の２つに大別して例示したが、これに限らず、本発明は、例えば２００Ｖ級の負荷電圧を持つシステムにも適用可能である。より具体的には、負荷駆動時には蓄電モジュールを並列に接続して２００Ｖ級で使用し、充電時には蓄電モジュールを直列に接続して４００Ｖ級の充電インフラで充電するように構成してもよい。

本発明の蓄電システムは、電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載されるものに限らず、複数の蓄電モジュールの直並列の接続状態を切り替え可能などのようなシステムにも適用可能である。上述の通り、蓄電モジュールはバッテリモジュールに限らず、キャパシタ等が用いられてもよい。また、上記実施形態では、直並列が切り替えられる複数のバッテリが二つの場合が示されているが、三つ以上の蓄電モジュールの直並列が切り替えられる構成としてもよい。

以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０・・・外部充電器（充電器）、
２０・・・車載充電器（充電器）、
４０１、４０２、４０３、４０４・・・蓄電システム、
４５・・・制御回路、
８０・・・負荷
８１、８２・・・インバータ及びモータ（負荷）、
８３・・・エアコン（負荷）、
ＢＴ１、ＢＴ２・・・バッテリ（蓄電モジュール）、
ＲＹ１－ＲＹ９・・・リレー（直並列切り替え器）。

Claims

それぞれが一つ以上の蓄電セルを含み、充電器（１０、２０）又は負荷（８０）のうち少なくとも一方と接続可能である複数の蓄電モジュール（ＢＴ１、ＢＴ２）と、
複数の前記蓄電モジュールの接続状態を直列及び並列に切り替え可能な直並列切り替え器（ＲＹ１－ＲＹ９）と、
前記蓄電モジュールが接続された前記充電器もしくは前記負荷の少なくとも一方、及び前記直並列切り替え器を制御する制御回路（４５）と、
を備え、
前記制御回路は、複数の前記蓄電モジュールの並列切り替えに先立ち、複数の前記蓄電モジュール間の電位差が所定の閾値以下となるように、一つ以上の前記蓄電モジュールと前記充電器又は前記負荷の少なくとも一方との間で充放電を行う電圧均衡化処理を実施した後、前記直並列切り替え器を並列に切り替える蓄電システムであって、
前記制御回路は、前記充電器から相対的に電圧が低い前記蓄電モジュールへの充電により、前記電圧均衡化処理を実施する蓄電システム。
複数の前記蓄電モジュールの並列切り替え後、
前記制御回路は、前記充電器の動作を停止する請求項１に記載の蓄電システム。
それぞれが一つ以上の蓄電セルを含み、充電器（１０、２０）又は負荷（８０）のうち少なくとも一方と接続可能である複数の蓄電モジュール（ＢＴ１、ＢＴ２）と、
複数の前記蓄電モジュールの接続状態を直列及び並列に切り替え可能な直並列切り替え器（ＲＹ１－ＲＹ９）と、
前記蓄電モジュールが接続された前記充電器もしくは前記負荷の少なくとも一方、及び前記直並列切り替え器を制御する制御回路（４５）と、
を備え、
前記制御回路は、複数の前記蓄電モジュールの並列切り替えに先立ち、複数の前記蓄電モジュール間の電位差が所定の閾値以下となるように、一つ以上の前記蓄電モジュールと前記充電器又は前記負荷の少なくとも一方との間で充放電を行う電圧均衡化処理を実施した後、前記直並列切り替え器を並列に切り替える蓄電システムであって、
前記制御回路は、相対的に電圧が高い前記蓄電モジュールから前記負荷への放電と、前記充電器から相対的に電圧が低い前記蓄電モジュールへの充電との組み合わせにより、前記電圧均衡化処理を実施する蓄電システム。
複数の前記蓄電モジュールの並列切り替え後、
前記制御回路は、前記負荷を継続して運転するとともに、前記負荷で消費される前記蓄電モジュールの電力を補充するように前記充電器を動作させる請求項３に記載の蓄電システム。
車両に搭載される蓄電システムであって、
前記負荷は、車室の冷暖房を行うエアコン（８３）であり、
前記充電器は、前記蓄電モジュールに直流電力を充電可能な外部充電器（１０）である請求項４に記載の蓄電システム。
前記蓄電モジュールから前記負荷への放電を行う場合において、
前記制御回路は、前記負荷の電力消費量が大きいほど前記蓄電モジュールからの放電量を増加させ、前記電圧均衡化処理の時間を短縮する請求項３～５のいずれか一項に記載の蓄電システム。
前記蓄電モジュールの電圧を監視するモジュール電圧監視部（４３）をさらに備え、
前記制御回路は、前記モジュール電圧監視部が検出した電圧検出値に基づいて前記蓄電モジュールと前記充電器又は前記負荷との間の充放電を制御する請求項１～６のいずれか一項に記載の蓄電システム。
前記蓄電モジュールの異常を検出する異常検出部（４３、４４）をさらに備え、
前記異常検出部により前記蓄電モジュールの異常が検出されたとき、
前記制御回路は、異常が検出された前記蓄電モジュールと負荷又は充電器との接続を遮断する請求項１～７のいずれか一項に記載の蓄電システム。